JP6060463B2

JP6060463B2 - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP6060463B2
Application number: JP2014215917A
Authority: JP
Inventors: 進益子; 暁弐益子
Original assignee: Kraftwerk KK
Current assignee: Kraftwerk KK
Priority date: 2014-10-23
Filing date: 2014-10-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-10-23
Also published as: JP2016084947A

Description

本発明は、地中熱や空気熱などの自然熱エネルギー又は人工排熱などの熱エネルギーにより、ヒートポンプの熱利用効率を高めるシステムに関するものである。

今日、ヒートポンプを用い、地中熱や空気熱を利用して冷暖房を行なったり、生活排水の熱や工場排熱を利用して暖房や給湯を行うなど、自然熱エネルギーや廃熱エネルギーを利用して生活に必要な熱エネルギーとし、エネルギーを効果的に利用してエネルギーの無駄な消費を少なくする試みが種々行われている。

例えば、冷暖房用の空調機や温水給湯を行う給湯器を使用するに際し、住宅排水における水熱を主利用熱とすると共に地中熱を補助利用熱としてヒートポンプを使用し、温熱又は冷熱を取り出す装置の提案（特許文献１）がなされている。

また、本件出願人は、地中熱を利用し、冷暖房や給湯を効果的に行うヒートポンプの提案（特許文献２）を行い、更に、太陽集熱パネルとヒートポンプとを組み合わせた給湯冷暖房システムであって、季節や天候による熱エネルギー量の変動が激しい太陽熱を効果的に利用可能とするシステムの提案（特許文献３）も行っている。

このヒートポンプは、例えば「１」の電気エネルギーを投入して「２」以上の空気熱エネルギーを取り込み、「３」以上の熱エネルギーを取り出すことができるように設計され、近年では、「１」の電気エネルギーを投入して「５」以上の空気熱エネルギーを取り込み、「６」以上の熱エネルギーを計算上取り出すことができるようにされるものもある。

しかし、このように無駄なく熱エネルギーを取り出すように設計され、実機の能力検査では、一定の試験環境において無駄のないエネルギーの取出しが可能となっていても、運転環境が一定しない現場では、ヒートポンプの著しい効率低下が生じることが多く、検査値の半分以下の熱エネルギーしか取り出せない場合も多々生じている。

特開２００３―２１４７２２号公報特許第５０６７９５８号公報特願２０１３―１８６０７１号

今日、地中熱、空気熱、太陽熱などの自然エネルギーを使用してヒートポンプにより冷暖房を行うことが多くなっているも、空気熱や太陽熱を利用する場合、季節や天候により温度（エネルギー量）の変化が大きく、ヒートポンプの効率も変動することとなり、エネルギーの利用効率を高めることが困難であった。

即ち、空気熱を利用する場合、夏場に冷房を行うとき、外気温度が３５℃以上となって凝縮器を冷却して室外機に流れる外部循環熱媒の冷却効率が低下し、ひいてはヒートポンプから取り出す冷熱量が低下することが有り、また、冬場に暖房を行うとき、外気温度が氷点下となり、蒸発器を加温して室外機に流れる外部循環熱媒の温度上昇が不十分となり、ヒートポンプから取り出す温熱量が低下する等、気温条件によって凝縮器や蒸発器の温度調整が目標値から大きく外れ、冷熱や温熱の取出し性能が低下する現状となっている。

更に、空気熱を利用する場合、近年では、夏場の屋内冷房により生じた排熱を空気中に放出するヒートポンプ式冷暖房装置の使用量が都市部では増大し、排熱によるヒートアイランド現象が生じる問題も発生している。

また、地中熱は、比較的温度変化が小さく、一年を通じてヒートポンプの効率を変化（低下）させないようにすることが可能であるも、ヒートポンプを連続運転する場合、地中に埋設した熱交換パイプによる採熱温度が変化しないようにするためには、熱交換パイプを地中深く、且つ、広範囲に埋設する必要が有り、熱交換パイプの設置に手数と時間及び費用を要する欠点があった。

そして、生活排水熱や工場排熱などの人工排熱を利用するに際しては、排熱温度が時間によって変化することが多く、ヒートポンプを効率良く安定した運転とすることが困難であった。

本発明は、このような欠点を排し、採熱エネルギー量が安定しない自然エネルギーや人工排熱エネルギーを利用したヒートポンプの運転を効率よく持続させ、無駄なエネルギー消費を少なくすることのできるヒートポンプシステムを提供するものである。

本発明に係るヒートポンプシステムは、採熱器としての地中熱交換パイプ、採熱器としての太陽集熱パネル、又は採熱器としての人工排熱吸収パイプ、その他の採熱器とする熱交換パイプと接続されて各採熱器からの熱を集熱する熱媒調整槽を有し、前記熱媒調整槽と、ヒートポンプの蒸発器の外部循環回路又は凝縮器の外部循環回路と、を接続する切換制御盤を有し、前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路とを接続して前記熱媒調整槽に蓄えた熱媒を前記蒸発器又は凝縮器へ循環させると共に、前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と接続されない前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路を熱負荷に接続可能としたことを特徴とする。

また、前記その他の採熱器は、河川や湖沼の水中に配される熱交換パイプ、空気との接触を行うように配された熱交換パイプ、堆肥場又は発酵槽に配された熱交換パイプ、雪捨て場に配された熱交換パイプ、の内の１つ又は複数とされるヒートポンプシステムである。

そして、人工排熱吸収パイプとしては、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置され、生活排水熱、工場排水熱を吸収する熱交換パイプとされるヒートポンプシステムである。

更に、前記各採熱器は、前記熱媒調整槽と熱媒循環パイプにより接続され、前記熱媒調整槽から前記各採熱器を介した熱媒を前記熱媒調整槽に戻すように前記熱媒循環パイプにより循環させるヒートポンプシステムとすることが好ましい。

また、前記各採熱器と前記熱媒調整槽は、ヒートパイプにより接続されて前記各採熱器からの熱を前記熱媒調整槽に集めるヒートポンプシステムとすることもある。

そして、前記熱媒調整槽に接続された前記各採熱器の温度を検出する温度検出器、及び、前記熱媒調整槽に蓄えられた熱媒の温度を検出する温度検出器を有し、前記熱媒調整槽に蓄えられた熱媒の温度を１５℃乃至３０℃に調整する制御装置を有するヒートポンプシステムとすることが好ましい。

また、前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路とを接続するに際し、前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路における熱媒を前記熱媒調整槽に戻す放熱復路又は吸熱復路を熱負荷に接続し、熱負荷を介して前記放熱復路又は吸熱復路の熱媒を前記熱媒調整槽に戻すように切換接続を可能としたヒートポンプシステムとすることが好ましい。

本発明に係るヒートポンプシステムは、複数の採熱器により採熱を行って熱媒調整槽に集熱するものであるから、採熱器の温度が時間的に不安定であっても、採熱器を組み合わせることにより熱媒調整槽に蓄える熱媒温度を安定させ、ヒートポンプの作動状態を安定させることができ、ヒートポンプの効率を低下させることなく効率的な運転を持続させることができる。

また、地中熱や太陽熱、人工排熱の他、河川等の水熱、空気熱、発酵熱、氷雪熱など種々の自然熱や人工熱から採熱する採熱器を組み合わせて温熱や冷熱の集熱を行うこととすれば、ヒートポンプシステムの設置場所、設置条件に合わせて最適な熱源に採熱器を配置して利用することができる。

そして、人工排熱吸収パイプを下水管や下水槽などに配置すれば、生活排熱や工場排熱などから、容易に採熱を行って人工排熱を効果的に利用することができる。

更に、採熱器を熱媒循環パイプにより熱媒調整槽に接続し、熱媒を循環させると、採熱器からの熱を容易に熱媒調整槽に移動させることができ、ヒートパイプを用いれば、効率よく採熱器から熱媒調整槽に熱を移動させることができる。

そして、採熱器や熱媒調整槽に温度検出器を設けることにより、温度変化の激しい採熱器の状態を検出して、適切な状態の採熱器を効果的に使用し、熱媒調整槽の温度を１５℃から３０℃に保つことにより、ヒートポンプを常に良好な状態で作動させることができる。

また、熱媒調整槽から所定温度の熱媒をヒートポンプに送り、ヒートポンプから熱媒調整槽に熱媒を戻すに際し、ヒートポンプから熱負荷を介して熱媒調整槽に熱媒を戻すようにすれば、ヒートポンプの蒸発器によって温度低下した、又は、凝縮器により温度上昇した熱媒の温度変化幅を、熱負荷により小さくして熱媒調整槽に戻し、熱媒調整槽の温度変化を小さくすることができ、ひいては採熱器の負担を少なくして温度が安定しない採熱器からの採熱量を低減させ、採熱器の利用を容易に行ってヒートポンプを効率よく使用することができる。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムの一例の概要を示す全体図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムの切換制御盤による接続配管の一例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムの熱媒調整槽の一例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第１実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第２実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第３実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第４実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第５実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第６実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第７実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第８実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第９実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第１０実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第１１実施例を示す概要図。本発明の実施の形態に係るヒートポンプシステムに熱負荷を接続する回路の第１２実施例を示す概要図。

本発明に係るヒートポンプシステム100の実施の形態は、図１に示すように、熱媒調整槽140と、この熱媒調整槽140から複数の採熱器に熱媒を送る循環往路160と、採熱により採熱器の温度に近い温度された熱媒を熱媒調整槽140に戻す循環復路170とを有し、熱媒調整槽140をヒートポンプ110の吸熱回路又は放熱回路に接続すると共に、ヒートポンプ110の吸熱回路や放熱回路を種々の熱負荷に接続する切換制御盤107及びこの切換制御盤107を制御する制御部105を有するものである。

この熱媒調整槽140と接続される第一採熱器191は、地中に埋設した熱交換パイプであって、地中熱を採熱するものである。

また、第二採熱器192は、太陽熱集熱パネルであって、太陽熱を採熱するものである。

そして第三採熱器193は、大気中に設置するフィンを備えた熱交換パイプであって、大気熱を採熱するものである。

更に第四採熱器194は、下水槽、下水管、排水槽、排水管などに配設した熱交換パイプであって、人工排熱である生活排水熱を採熱するものである。

そして、循環往路160により熱媒調整槽140から各採熱器に熱媒を送る第一往路161、第二往路162、第三往路163、及び、第四往路164を循環往路160から分岐し、第一往路161、第二往路162、第三往路163、及び、第四往路164には、第一循環ポンプ166、第二循環ポンプ167、第三循環ポンプ168、及び、第四循環ポンプ169を夫々設けている。

また、第一採熱器191、第二採熱器192、第三採熱器193、及び、第四採熱器194を介した第一復路171、第二復路172、第三復路173、及び、第四復路174は、循環復路170に纏めて熱媒調整槽140に戻すように接続している。

更に、第一採熱器191乃至第四採熱器194として配置される各熱交換パイプには、各熱交換パイプ内の熱媒温度を計測する第一採熱温度計176、第二採熱温度計177、第三採熱温度計178、及び、第四採熱温度計179を設け、第一採熱器191乃至第四採熱器194として各熱源に配置した各採熱器の温度を計測可能としている。

また、熱媒調整槽140は、仕切板145により槽内を２分し、第一室141と第二室142を下部で連通させると共に、第一室141の上部から切換制御盤107に調整槽往路151としての熱媒配管が接続され、切換制御盤107から第二室142の上部へ調整槽復路153としての熱媒配管が接続されると共に、切換制御盤107からは第一室141の下部へ下部第一復路155としての配管が、第二室142の下部へ下部第二復路156としての配管が接続される。

そして、第二室142の中間下方から循環往路160を介して第一往路161乃至第四往路164が接続され、採熱器を介した第一復路171乃至第四復路174が循環復路170に纏められて第一室141の中間下方に接続されることにより、第一採熱器191乃至第四採熱器194である各採熱器が循環往路160や循環復路170等とした熱媒循環パイプにより熱媒調整槽140と接続されるものである。

更に、熱媒調整槽140には、第一室141の上部近傍の熱媒温度を検出する熱媒温度計147を設けている。

この熱媒調整槽140と接続する切換制御盤107は、後述するように多数の三方弁により熱媒配管の接続切換を行って熱媒調整槽140とヒートポンプ110とを接続すると共に、種々の熱負荷をヒートポンプ110に接続可能とするものである。

この切換制御盤107とヒートポンプ110との接続は、ヒートポンプ110の蒸発器外部回路となる放熱往路121及び放熱復路123によりヒートポンプ110の蒸発器117を切換制御盤107に接続すると共に放熱復路123には放熱回路ポンプ125を設けて放熱回路によりヒートポンプ110を切換制御盤107と接続しているものである。

また、切換制御盤107とヒートポンプ110との接続は、ヒートポンプ110の凝縮器外部回路となる吸熱往路131及び吸熱復路133によりヒートポンプ110の凝縮器113を切換制御盤107に接続すると共に吸熱往路131には吸熱回路ポンプ135を設けて吸熱回路によりヒートポンプ110を切換制御盤107と接続しているものである。

このヒートポンプ110は、圧縮ポンプ111、凝縮器113、膨張弁115、蒸発器117を内蔵して熱媒を内部循環させ、圧縮ポンプ111で加圧した内部循環熱媒を凝縮器113を介して膨張弁115に送ったとき、凝縮器113の外部循環回路を流れる外部循環熱媒に圧縮熱を移動させて外部循環回路とした吸熱復路133を流れる熱媒を５０℃乃至６０℃程度とするものである。

また、膨張弁115を介して蒸発器117に送られた内部循環熱媒は、蒸発器117で蒸発器外部回路を流れる外部循環熱媒から気化熱による吸熱を行い、外部循環回路である放熱復路123を流れる熱媒を７℃乃至１５℃程度の温度とするものである。

そして、切換制御盤107には、熱負荷として、温水槽250や冷水槽240、熱交換器230、連暖房用の蓄熱槽210などを接続するものである。

この蓄熱槽210は、空調冷暖房装置221や放熱冷暖房装置225が接続され、蓄熱槽210に蓄えた７℃乃至１５℃程度の熱媒、又は、５０℃乃至６０℃程度の熱媒を冷暖房用ポンプ229により空調装置用配管223を介して空調冷暖房装置221に送って夏には７℃乃至１５℃程度の熱媒により冷房を、冬には５０℃乃至６０℃程度の熱媒により暖房を行うと共に、放熱装置用配管227を介して放熱冷暖房装置225に熱媒を送って夏には床冷房や壁冷房を、冬には床暖房や壁暖房を行うものである。

そして、この蓄熱槽210は、蓄熱槽210の上部からタンク上部配管211により、また、蓄熱槽210の下部からタンク下部配管213により切換制御盤107に接続され、ヒートポンプ110から送られる７℃乃至１５℃程度の熱媒、又は、５０℃乃至６０℃程度の熱媒を蓄熱槽210内に蓄えるものである。

また、熱交換器230は、交換器往路231及び交換器復路233とする配管により切換制御盤107に接続され、ヒートポンプ110により７℃乃至１５℃程度とされた熱媒又は５０℃乃至６０℃に昇温された熱媒が供給され、二次回路237により種々の熱負荷に熱エネルギーを供給可能とするものである。

そして、冷水槽240は、冷水用往路241及び冷水用復路243とする配管によって切換制御盤107に接続され、ヒートポンプ110により７℃乃至１５℃程度とされた熱媒により冷水槽240内に蓄える上水を１０℃程度に冷却し、冷水取出し口245から生活用水として冷水を利用可能とし、内部の冷水が使用により減少したときは、図示しない上水管により上水が供給されるものである。

また、温水槽250は、温水用往路251及び温水用復路253とする配管によって切換制御盤107に接続され、ヒートポンプ110により５０℃乃至６０℃とされた熱媒により温水槽250内に蓄える上水を５０℃乃至６０℃程度に昇温し、温水取出し口255から生活用水として温水を利用可能とし、内部の温水が使用により減少したときは、図示しない上水管により上水が供給されるものである。

そして、蓄熱槽210には蓄熱槽210内に蓄える熱媒の温度を検出するタンク温度計215が、冷水槽240には内部に蓄える上水の温度を検出する冷水温度計247が、温水槽250には内部に蓄えた上水の温度を検出する温水温度計257を設けている。

そして、タンク温度計215、冷水温度計247、温水温度計257、更に前述の熱媒温度計147や第一採熱温度計176乃至第四採熱温度計179の各温度計で検出した温度情報を制御部105に入力するものとしている。

この制御部105は、各温度計からの温度情報に基づき、切換制御盤107を制御して熱媒調整槽140とヒートポンプ110の吸熱回路又は放熱回路とを接続すると共に、ヒートポンプ110の放熱回路又は吸熱回路を適宜の熱負荷に接続し、放熱回路ポンプ125及び吸熱回路ポンプ135を駆動させて、熱負荷に所要の熱エネルギーを供給するものである。

また、制御部105は、熱媒調整槽140に蓄えた熱媒の温度を検出して第一循環ポンプ166乃至第四循環ポンプ169の内の適宜のポンプを駆動させて熱媒調整槽140内の第一室141側の熱媒温度を１５℃乃至３０℃程度に維持するものである。

そして、切換制御盤107は、図２に示すように多数の三方弁により熱媒調整槽140とヒートポンプ110との配管接続および熱負荷とヒートポンプ110の配管接続の切換を可能とするものである。

即ち、この切換制御盤107は、調整槽往路151と放熱往路121とを第１三方弁301及び第４三方弁304を介して接続し、調整槽復路153を第２三方弁302及び第３三方弁303と第５三方弁305とを介して放熱復路123と接続している。

更に、第１三方弁301は、第１３三方弁313及び第１５三方弁315を介して吸熱往路131に、第３三方弁303は第１２三方弁312及び第１４三方弁314を介して吸熱復路133に接続している。

また、第４三方弁304は、第６三方弁306、第１８三方弁318、第２２三方弁322を介して冷水用復路243に、第５三方弁305は第７三方弁307、第１９三方弁319、第２３三方弁323を介して冷水用往路241に接続している。

更に、第１４三方弁314は、第２５三方弁325を介して温水用往路251に、第１５三方弁315は第２４三方弁324を介して温水用復路253に接続している。

そして、第１３三方弁313は、第１１三方弁311及び第９三方弁309を介してタンク下部配管213に、第１２三方弁312は、第１０三方弁310及び第８三方弁308を介してタンク上部配管211に接続し、第１０三方弁310は、第１７三方弁317及び第２１三方弁321を介して交換器往路231に、第１１三方弁311は、第１６三方弁316及び第２０三方弁320を介して交換器復路233に接続している。

また、第１６三方弁316は第１８三方弁318と接続し、第１７三方弁317は第１９三方弁319と接続すると共に、第２２三方弁322を第２４三方弁324に、第２３三方弁323を第２５三方弁325に接続し、第７三方弁307と第９三方弁309を、第８三方弁308と第６三方弁306を接続している。

そして、第２１三方弁321を第２７三方弁327を介して第２三方弁302に、第２０三方弁320を第２６三方弁326を介して第２７三方弁327に接続し、第２６三方弁326は第２８三方弁328を介して下部第一復路155と下部第二復路156とに接続しているものである。

従って、このヒートポンプシステム100は、熱媒調整槽140の第一室141側に蓄えた１５℃乃至３０℃の熱媒をヒートポンプ110の蒸発器117又は凝縮器113の外部循環回路である放熱往路121又は吸熱往路131によって蒸発器117又は凝縮器113に送ることができる。

そして、ヒートポンプ110の内部循環熱媒を用いて熱移動を行わせ、ヒートポンプ110の凝縮器113又は蒸発器117により、凝縮器113の外部循環回路である吸熱復路133を通る熱媒は５０℃乃至６０℃程度とし、蒸発器117の外部循環回路である放熱復路123を通る熱媒は７℃乃至１５℃程度として凝縮器113又は蒸発器117の外部循環回路から適宜の熱負荷に温熱または冷熱を供給することができるものである。

そして、熱媒調整槽140は、複数の採熱器から熱を集熱するものであり、熱媒調整槽140に蓄える熱媒温度を１５℃乃至３０℃の一定温度とすることにより、ヒートポンプ110の運転効率を高く維持した状態での運転を可能とすることができるものである。

また、複数の採熱器からの熱を集熱して熱媒調整槽140に蓄える熱媒の温度調整を行うため、太陽熱や空気熱の様に季節や天候により温度が変化する自然熱、生活排水熱の様に時間とともに不規則に変化する生活排熱であっても、各採熱器とする熱交換パイプ内の熱媒温度の測定を行いながら複数の採熱器からの温熱や冷熱である熱を合わせて熱媒調整槽140に蓄える熱媒の温度を所定の温度とすることにより、ヒートポンプ110の運転を安定した状態で効率よく行うことができる。

また、地中熱の様に年間を通して安定した温度を採取できる採熱器において、地中への埋設パイプを深く又は広く延設していなくても、他の採熱器と組み合わせて利用することにより、地中熱の採取を長時間連続して行うことなく、連続的な地中熱の採取により地中を循環する熱媒の温度変化が生じることを防止することもできる。

このように、熱媒調整槽140に蓄えている熱媒の温度と、各採熱器の温度を比較し、複数の採熱器を組み合わせることにより、熱源とする大地から地中熱を採取する第一採熱器191に対して長時間の連続的な負荷を加えることを防止し、大地への負荷を軽減することにより、地中に埋設する熱交換パイプを大型化することなく地中熱を採取することができる。

また、各採熱器への負荷を分散させて第三採熱器193への負荷を軽減し、空気熱を利用する場合においても、夏場のヒートアイランド現象を軽減することもできる。

そして、採熱器としては、地理的条件によっては河川や湖沼などの水中に熱交換パイプを配置して水熱を採取するようにする場合、又は、温泉排水などの水路に熱交換パイプを配置して温水熱を採取する場合、雪捨て場の地表近傍等に熱交換パイプを埋設配置して氷雪熱を採取する場合、堆肥場の地表近傍等に熱交換パイプを配置して堆肥等の発酵熱を採取する場合、発酵槽内に熱交換パイプを配置して発酵熱を採取する場合、工場排熱やボイラー排熱を採取する熱交換パイプ等、種々の採熱対象とする熱源から熱を採取可能とする熱交換パイプを用いることが有り、熱媒調整槽140と接続する採熱器の数も４個に限ることなく、適宜に数を増やすことができる。

また、図１に示したシステムでは、第一採熱器191乃至第四採熱器194とした各採熱器、ヒートポンプ110の外部循環回路、蓄熱槽210や熱交換器230などの熱負荷に共通の熱媒を用いて循環させているも、図３に示すように、熱媒調整槽140内に熱交換コイルを配置するものとし、採熱器から熱を採取する際の熱媒と熱媒調整槽140からヒートポンプ110や熱負荷を循環させる熱媒とを異なる熱媒とすることもある。

この場合は、第一往路161と第一復路171とを熱媒調整槽140内に配置する第一熱交換コイル181に接続して連結し、同様に、第二往路162と第二復路172とを熱媒調整槽140内に配置する第二熱交換コイル182に接続して連結し、第三往路163と第三復路173とを熱媒調整槽140内に配置する第三熱交換コイル183により接続して連結し、第四往路164と第四復路174とを熱媒調整槽140内に配置する第四熱交換コイル184により接続して連結するものである。

このように、熱媒調整槽140の内部に熱交換コイルを設けて採熱器を循環する熱媒を熱交換コイルの内部を通過させるようにすれば、ヒートポンプ110や熱負荷に送る熱媒とは異なる熱媒を用いて各採熱器に適した熱媒を選択し、採熱器から熱を集熱することができる。

なお、全ての採熱器循環熱媒を熱媒調整槽140に蓄える熱媒と異なる熱媒とする場合に限ることなく、適宜の採熱器において熱を採取するのに適した熱媒を使用するものとして、所定の採熱器に循環させる熱媒を、ヒートポンプ110に送る熱媒とは異なる熱媒とすれば足りるものであることは言うまでもない。

また、各採熱器から熱エネルギーを集熱して熱媒調整槽140に蓄える熱媒の温度調整をするに際し、循環ポンプにより採熱器に熱媒を送って循環させる場合に限ることなく、ヒートパイプなどの熱伝達部材を用いて採熱器と熱媒調整槽140を熱的に接続して採熱器から熱媒調整槽140に集熱することもある。

更に、循環ポンプを用いることなく、採熱器の状態に合わせ、採熱器と熱媒調整槽140とを適宜のパイプ配管により接続しつつ液体又は気体である適宜の熱媒を熱媒調整槽140から採熱器に循環可能として熱的に採熱器と熱媒調整槽140とを接続し、バルブ等を用いて熱移動を断続させるようにして集熱することもある。

そして、このヒートポンプシステム100では、図４に示すように、第１三方弁301、第１３三方弁313、第１５三方弁315により調整槽往路151と吸熱往路131とを接続し、第２三方弁302、第３三方弁303、第１２三方弁312、第１４三方弁314により吸熱復路133と調整槽復路153とを接続して吸熱回路ポンプ135により熱媒調整槽140の熱媒により凝縮器113から熱を吸収するように循環させ、蒸発器117の外部循環回路（放熱復路123）を熱負荷に接続して熱負荷に冷熱を供給可能とすることができる。

即ち、第５三方弁305、第７三方弁307、第９三方弁309を介して放熱復路123をタンク下部配管213に接続し、第４三方弁304、第６三方弁306、第８三方弁308によりダンク上部配管を放熱往路121に接続し、蒸発器117により７℃乃至１５℃程度に冷やされた熱媒を蓄熱槽210に送って低温の熱媒を蓄熱槽210に蓄え、蓄熱槽210に蓄えた低温の熱媒により空調冷暖房装置221や放熱冷暖房装置225により適宜の屋内冷房を行うことができる。

そして、ヒートポンプ110の運転を連続し、熱媒調整槽140に蓄えた熱媒の温度が３０度以上に上昇するとき、第四採熱器194（生活排水熱）や第三採熱器193（空気熱）、第一採熱器191（地中熱）の温度を各温度計により測定して適宜の採熱器から集熱することにより、熱媒調整槽140に蓄えた熱媒の温度を３０℃程度以下とすることができる。

また、冷熱媒を蓄熱槽210に蓄える場合のみでなく、図５に示すように、第５三方弁305、第７三方弁307、第１９三方弁319、第２３三方弁323を介して放熱復路123を冷水用往路241に、第４三方弁304、第６三方弁306、第１８三方弁318、第２２三方弁322を介して冷水用復路243を放熱往路121に接続して放熱回路ポンプ125を駆動し、熱負荷としての冷水槽240に冷水を蓄えることもできる。

そして、図６に示すように、第５三方弁305、第７三方弁307、第１９三方弁319、第２１三方弁321を介して放熱復路123を交換器往路231に、第４三方弁304、第６三方弁306、第１６三方弁316、第２０三方弁320を介して放熱復路123を交換器復路233と接続し、蒸発器117を介した低温の熱媒を熱交換器230に送り、二次回路237により接続する種々の熱負荷とする対象を冷やすこともできる。

そして、図７に示すように、放熱復路123をタンク下部配管213に、タンク上部配管211を放熱復路123に接続すると共に、調整槽復路153を吸熱往路131に接続することは、図４に示した回路接続と同様であるも、吸熱復路133を第１４三方弁314、第１２三方弁312、第１０三方弁310、第１７三方弁317、第２３三方弁323、第２５三方弁325を介して温水用往路251に、温水用復路253を第２４三方弁324、第２２三方弁322、第１８三方弁318、第１６三方弁316、第２０三方弁320、第２６三方弁326、第２８三方弁328を介して下部第一復路155に接続し、凝縮器113から熱媒調整槽140に戻る熱媒を温水槽250を介して熱媒調整槽140に戻すこともある。

この様に凝縮器113から熱媒調整槽140に戻る熱媒を熱負荷である温水槽250を介して戻すことにより、熱媒調整槽140に戻る熱媒温度を５０℃乃至６０℃程度から温度を低下させ、熱媒調整槽140の温度上昇を低減させることにより、採熱器への負荷を軽減させることもできる。

また、図８に示すように、吸熱復路133を第１４三方弁314、第１２三方弁312、第１０三方弁310、第１７三方弁317、第２１三方弁321、により交換器往路231に、交換機復路233を第２０三方弁320、第２６三方弁326、第２８三方弁328、を介して下部第一復路155に接続することにより、凝縮器113から熱媒調整槽140に戻る熱媒を熱交換器230を介して下部第一復路155から熱媒調整槽140に戻し、熱交換器230の二次回路237に接続する種々の熱負荷により熱利用を行い、熱媒調整槽140に戻す熱媒温度を低下させることもある。

そして、図９に示すように、放熱復路123を第５三方弁305、第７三方弁307、第９三方弁309を介してタンク下部配管213に、タンク上部配管211を第８三方弁308、第６三方弁306、第４三方弁304、を介して放熱往路121に接続し、吸熱復路133を第１４三方弁314、第２５三方弁325を介して温水用往路251に、温水用復路253を第２４三方弁324、第１５三方弁315を介して吸熱往路131に接続し、蓄熱槽210に低温の熱媒を蓄えるとき、温水槽250の上水を加熱するようにして凝縮器113を介した熱媒を熱媒調整槽140に送ることなく、熱媒調整槽140に貯めた熱媒の温度上昇ひいては各採熱器に対する負荷を低減するようにすることもある。

また、ヒートポンプ110により５０℃乃至６０℃程度の高温とした温熱媒を利用する場合は、図１０に示すように、第１三方弁301及び第４三方弁304を介して調整槽往路151を放熱往路121に、第２三方弁302、第３三方弁303、第５三方弁305を介して調整槽復路153を放熱復路123に接続して熱媒調整槽140からの熱媒を蒸発器117の外部循環回路に送るものである。

そして、凝縮器113の外部循環回路である吸熱復路133を第１４三方弁314、第１２三方弁312、第１０三方弁310、第８三方弁308を介してタンク上部配管211に、凝縮器113の外部循環回路である吸熱往路131を第１５三方弁315、第１３三方弁313、第１１三方弁311、第９三方弁309を介してタンク下部配管213に接続するものである。

従って、凝縮器113で昇温された熱媒を蓄熱槽210に蓄えて空調冷暖房装置221や放熱冷暖房装置225により屋内暖房を行い、蒸発器117で低温とされた熱媒を熱媒調整槽140に戻すことができる。

そして、暖房運転を継続して熱媒調整槽140に蓄えられた熱媒の温度が１５℃程度以下に低下したときは、第二採熱器192により太陽熱を採取し、また、条件によっては第四採熱器194とした生活排水から熱を採取して熱媒調整槽140に蓄える熱媒温度を１５℃以上等に維持してヒートポンプ110の蒸発器117に送る熱媒温度の変化を押え、ヒートポンプ110の使用効率を低下させることなくヒートポンプ110を使用するものである。

また、図１１に示すように、第１４三方弁314及び第２５三方弁325を介して吸熱復路133を温水用往路251に、第１５三方弁315及び第２４三方弁324を介して吸熱往路131を温水用復路253に接続して温水槽250に蓄える上水を温めることや、図１２に示すように吸熱往路131吸熱復路133を交換器復路233及び交換器往路231と接続し、二次回路237に接続する種々の熱負荷に温熱を供給することもできる。

更に、図１３に示すように、吸熱往路131をタンク下部配管213に、吸熱復路133をタンク上部配管211に接続し、調整槽往路151を放熱往路121に接続することは図１０に示した回路接続と同様であるも、放熱復路123は、第５三方弁305、第３三方弁303、第２三方弁302、第２７三方弁327、第２１三方弁321、第１７三方弁317、第１９三方弁319、第２３323三方弁を介して冷水用往路241に接続し、冷水用復路243は、第２２三方弁322、第１８三方弁318、第１６三方弁316、第２０三方弁320、第２６三方弁326、第２８三方弁328を介して下部第二復路156に接続して、蒸発器117を介した熱媒を冷水槽240を介して熱媒調整槽140に戻すようにすることもある。

従って、蒸発器117を通って７℃乃至１５℃程度の低温とされた熱媒を冷水槽240を介して温度上昇をさせて熱媒調整槽140に戻すため、熱媒調整槽140に蓄えられた熱媒の温度低下を少なくし、熱媒調整槽140の温度変化を小さく、ひいては採熱器への負荷を少なくしつつヒートポンプ110を効率的に運転することができる。

また、図１４に示すように、冷水槽240を介して蒸発器117を通った熱媒を熱媒調整槽140に戻すことに換えて、放熱復路123を、第５三方弁305、第３三方弁303、第２三方弁302、第２７三方弁327、第２１三方弁321を介して交換器往路231に、交換器復路233を第２０三方弁320、第２６三方弁326、第２８三方弁328を介して下部第二復路156に接続することにより熱交換器230を介して熱媒調整槽140に熱媒を戻し、二次回路237により種々の熱負荷に冷熱を供する場合も採熱器の負荷を小さくすることができる。

更に、図１５に示すように、第１４三方弁314、第１２三方弁312、第１０三方弁310、第８三方弁308により吸熱復路133とタンク上部配管211とを接続し、第１５三方弁315、第１３三方弁313、第１１三方弁311、第９三方弁309により吸熱往路131とタンク下部配管213とを接続し、第５三方弁305、第７三方弁307、第１９三方弁319、第２３三方弁323により放熱復路123と冷水用往路241とを接続し、第４三方弁304、第６三方弁306、第１８三方弁318、第２２三方弁322により放熱往路121と冷水用復路243とを接続し、蓄熱槽210に温熱媒を供給するとき、冷熱媒を冷水槽240に送って熱媒調整槽140の熱媒温度の変化を防止することもできる。

本発明に係るヒートポンプシステム100は、熱媒調整槽140に蓄える熱媒の温度を一定範囲内とするように複数の採熱器から集熱を行うものであるから、ヒートポンプ110の外部循環熱媒の温度を安定させてヒートポンプ110の運転を効率よく持続させることができ、無駄なエネルギー消費を少なくすることができるものである。

１００ヒートポンプシステム
１０５制御部１０７切換制御盤
１１０ヒートポンプ
１１１圧縮ポンプ１１３凝縮器
１１５膨張弁１１７蒸発器
１２１放熱往路１２３放熱復路
１２５放熱回路ポンプ
１３１吸熱往路１３３吸熱復路
１３５吸熱回路ポンプ
１４０熱媒調整槽
１４１第一室１４２第二室
１４５仕切板１４７熱媒温度計
１５１調整槽往路１５３調整槽復路
１５５下部第一復路１５６下部第二復路
１６０循環往路
１６１第一往路１６２第二往路
１６３第三往路１６４第４往路
１６６第一循環ポンプ１６７第二循環ポンプ
１６８第三循環ポンプ１６９第四循環ポンプ
１７０循環復路
１７１第一復路１７２第二復路
１７３第三復路１７４第四復路
１７６第一採熱温度計１７７第二採熱温度計
１７８第三採熱温度計１７９第四採熱温度計
１８１第一熱交換コイル１８２第二熱交換コイル
１８３第三熱交換コイル１８４第四熱交換コイル
１９１第一採熱器１９２第二採熱器
１９３第三採熱器１９４第四採熱器
２１０蓄熱槽
２１１タンク上部配管２１３タンク下部配管
２１５タンク温度計
２２１空調冷暖房装置２２３空調装置用配管
２２５放熱冷暖房装置２２７放熱装置用配管
２２９冷暖房用ポンプ
２３０熱交換器
２３１交換器往路２３３交換器復路
２３７二次回路
２４０冷水槽
２４１冷水用往路２４３冷水用復路
２４５冷水取出し口２４７冷水温度計
２５０温水槽
２５１温水用往路２５３温水用復路
２５５温水取出し口２５７温水温度計
３０１〜３２８第１三方弁乃至第２８三方弁

Claims

採熱器としての地中熱交換パイプ、採熱器としての太陽集熱パネル、又は採熱器としての人工排熱吸収パイプ、その他の採熱器とする熱交換パイプと接続されて各採熱器からの熱を集熱する熱媒調整槽を有し、
前記熱媒調整槽と、ヒートポンプの蒸発器の外部循環回路又は凝縮器の外部循環回路と、を接続する切換制御盤を有し、
前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路とを接続して前記熱媒調整槽に蓄えた熱媒を前記蒸発器又は凝縮器へ循環させると共に、前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と接続されない前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路を熱負荷に接続可能としたことを特徴とするヒートポンプシステム。
前記その他の採熱器は、河川や湖沼の水中に配される熱交換パイプ、空気との接触を行うように配された熱交換パイプ、堆肥場又は発酵槽に配された熱交換パイプ、雪捨て場に配された熱交換パイプ、の内の１つ又は複数とされることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。
人工排熱吸収パイプとしては、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置され、生活排水熱、工場排水熱を吸収する熱交換パイプとされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートポンプシステム。
前記各採熱器は、前記熱媒調整槽と熱媒循環パイプにより接続され、前記熱媒調整槽から前記各採熱器を介した熱媒を前記熱媒調整槽に戻すように前記熱媒循環パイプにより循環させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載のヒートポンプシステム。
前記各採熱器と前記熱媒調整槽は、ヒートパイプにより接続されて前記各採熱器からの熱を前記熱媒調整槽に集めることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載のヒートポンプシステム。
前記熱媒調整槽に接続された前記各採熱器の温度を検出する温度検出器、及び、前記熱媒調整槽に蓄えられた熱媒の温度を検出する温度検出器を有し、前記熱媒調整槽に蓄えられた熱媒の温度を１５℃乃至３０℃に調整する制御装置を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載のヒートポンプシステム。
前記切換制御盤により、前記熱媒調整槽と前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路とを接続するに際し、前記蒸発器の外部循環回路又は前記凝縮器の外部循環回路における熱媒を前記熱媒調整槽に戻す放熱復路又は吸熱復路を熱負荷に接続し、熱負荷を介して前記放熱復路又は吸熱復路の熱媒を前記熱媒調整槽に戻すように切換接続を可能としたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載のヒートポンプシステム。